激光選區熔化TC11鈦合金的斷裂機理及異種載荷下裂紋擴展研究

黃鵬，于海洋，郭寧，周慶軍，唐炳濤，趙偉，李新生

激光選區熔化TC11鈦合金的斷裂機理及異種載荷下裂紋擴展研究

黃鵬1,2，于海洋1,2，郭寧1,2，周慶軍3，唐炳濤1,2，趙偉1,2，李新生4

（1. 齊魯工業大學（山東省科學院） 機械工程學院，濟南 250353；2. 山東省機械設計研究院，濟南 250031；3. 首都航天機械有限公司，北京 100076；4. 金雷科技股份公司，濟南 271105）

基于航天航空領域損傷容限性鈦合金的設計理念，研究沉積態TC11鈦合金拉伸速率相關的斷裂機理及異種載荷形式下裂紋擴展路徑。采用電子背散射衍射（EBSD）表征由激光選區熔化（SLM）制備的沉積態TC11鈦合金的晶粒形貌，利用掃描電子顯微鏡分析不同應變速率下TC11鈦合金的斷口形貌和缺陷分布，針對無法原位實時追蹤裂紋擴展路徑的問題，利用Abaqus相場UEL對裂紋擴展進行研究。沉積態TC11鈦合金中，∥BD截面上的晶粒主要為柱狀晶并有少部分等軸晶，⊥BD截面上的晶粒全部為等軸晶，組織為由密排立方結構（HCP）的針狀α相構成的馬氏體，無明顯晶粒取向；瞬時載荷下，載荷為1、1.5、2 MPa時，切向裂紋寬度分別為0、7.69、14 mm，角度分別為108°、92°、82°；周期載荷下，載荷為1、1.1、1.2、1.35、1.5 MPa時，裂紋寬度分別為15.56、11.87、26.23、20.51、20.92 mm。隨拉伸速率的增加，斷裂機理由韌性斷裂轉化為脆性斷裂；瞬時加載時，裂紋萌生并切向擴展，進而裂紋分叉直至完全斷裂，且載荷的增加對沉積態TC11鈦合金切向裂紋有促進作用，同時可抑制裂紋的分叉；周期加載時，載荷的增加對裂紋寬度先是起促進作用，裂紋達到最大值后穩定在25～20 mm。

激光選區熔化；TC11鈦合金；相場斷裂；裂紋擴展；斷口形貌

雙相鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕、耐高溫、耐低溫等優異性能，廣泛應用于航天航空領域的主承力構件。與傳統的制造技術相比，SLM具有近凈成形、材料利用率高、可以生產復雜幾何形狀的變截面結構件等巨大優勢[1]。SLM工藝存在復雜的熱循環過程，在SLM成形的鈦合金內部會存在孔隙等缺陷，而這些缺陷周圍常常伴隨著應力集中，這會引起裂紋的萌生及擴展。基于目前航天航空領域損傷容限型鈦合金設計理念，由裂紋誘發的材料失效及裂紋的擴展演化是制約鈦合金在航天航空領域主承力結構件上應用的內在因素。

許多學者針對SLM成形、LMD成形的TC11鈦合金斷裂機理及組織與性能進行了相關研究，針對退火溫度和保溫時間對SLM成形的TC11鈦合金斷裂機理的影響，竇恩惠等[2]研究了不同熱處理制度下的沉積態TC11鈦合金斷裂機制，為通過熱處理的手段改善SLM成形的鈦合金的組織性能提供了參考，并且為鈦合金的工程應用提供了一定的參考。針對復雜結構件實際成形熱過程中SLM成形鈦合金的斷裂機理，周慶軍等[3]研究了沉積態TC11鈦合金的組織及力學性能，為調控鈦合金激光熔化沉積（LMD）成形的大型復雜構件的組織性能、抑制成形過程中出現的開裂提供了重要依據。針對不同溫度和時間下熱暴露對TC11鈦合金斷裂機理的影響，張衛方等[4]研究了使用溫度附近TC11鈦合金在不同溫度和時間下熱暴露的斷裂機理，揭示了熱暴露對TC11鈦合金斷裂機理的影響。由于通過實驗的手段無法原位實時追蹤裂紋擴展路徑，對沉積態TC11鈦合金裂紋誘發的斷裂機理尚缺乏深入的研究，因此，利用數值模擬來實現實時追蹤裂紋擴展的路徑尤為關鍵。

許多學者提出了多種模擬固體材料裂紋擴展的方法，如Guo等[5]提出了一種能夠模擬任意形狀裂紋表面的二維裂紋擴展方法，這種方法與XFEM相比，可直接用網格描述裂紋，不需要引入額外的技術來追蹤界面，但其很難擴展應用到復雜的三維問題上。Zhou等[6]開發了一種動態嵌入內聚元素的三維有限元模型處理網格依賴關系，但內聚單元的裂紋一定是沿每個單元邊界傳播的，所以必然會有一定程度的網格依賴無法消除。Azevedo等[7]提出了一種混合方法，將粒子法應用于較大結構的分析，即僅在斷裂過程中使用剛性的圓形顆粒，而其余部分使用有限元建模。Gergely等[8-9]提出了一種新的相場UEL來實現對裂紋擴展路徑的追蹤，這種方法是基于Belytschko團隊[10-11]提出的XFEM方法以及Gürses等[12]提出的配置力驅動的鋒利裂縫前緣思想構建的，這種方法不需要預先定義裂縫，可以模擬出曲折路線的裂紋路徑、裂紋分叉及合并，但由于采用了交錯時的集成算法，所以需要一個相對較小的時間步長，故無法模擬長時間載荷狀態下的裂紋擴展路徑。

文中通過EBSD表征了沉積態TC11鈦合金晶粒和組織形貌及取向信息，通過SEM分析了不同應變速率下TC11鈦合金拉伸試棒斷口形貌并揭示了其斷裂機理，最后通過Abaqus相場UEL預測了瞬時與周期加載的條件下沉積態TC11鈦合金裂紋的擴展路徑，揭示了不同類載荷下裂紋擴展的演化規律，為航天航空領域損傷容限型鈦合金的設計提供了一定的參考，并為TC11鈦合金工程應用提供了依據。

1 TC11鈦合金組織表征及力學性能實驗方法

1.1 SLM工藝

采用湖南華曙高科技股份有限公司生產的FS271型激光選區熔化成形設備，原材料采用西安歐中材料科技有限公司生產的粒徑為15～53 μm的TC11粉末，其具體化學成分見表1。SLM具體工藝參數如下：激光功率為400 W，掃描速度為1 400 mm/s，掃描間距為0.12 mm，分層厚度為60 μm。

表1 TC11粉末成分（質量分數）

1.2 不同應變速率的TC11鈦合金拉伸實驗方法

參照GB/T 228.1—2010[13]，利用激光加工獲得的拉伸試棒具體尺寸如圖1所示。采用濟南鑫光實驗機制造有限公司生產的WDW-200E電子萬能實驗機測試沉積態TC11鈦合金室溫拉伸性能，拉伸速率分別為0.1、1、2、5 mm/min，最大拉伸力為27～28 kN，拉伸方向垂直于SLM的沉積方向。

1.3 TC11鈦合金斷口形貌表征方法

采用北京日立高新科學儀器有限公司生產的SU3500掃描電子顯微鏡對拉斷件的斷口形貌進行觀察。實驗采用15 000 V的加速電壓、148 000 mA左右的發射電流。

1.4 TC11鈦合金晶粒形貌及組織表征方法

采用EBSD來表征沉積態TC11鈦合金晶粒形貌及組織。EBSD樣品制備過程如下：①利用金相砂紙打磨至800目，保證無劃痕或者有極少量的淺劃痕；②使用粒度為1～3 μm的氧化鋁拋光劑粗拋，使用粒度為0.2～0.5 μm的氧化鋁拋光劑細拋；③電解拋光采用體積比為1︰6︰3的高氯酸、甲醇、正丁醇的混合溶液，陰極材料為不銹鋼，電壓為30 V，電流密度為100～ 150 A/dm2，在溫度≤?10 ℃的條件下電解30～60 s。EBSD采用日本電子JSM-7900F掃描電鏡，采用edax Hikari XP探頭，最后采用EDAX OIM軟件處理數據。掃描區域為61 μm× 48 μm，步長為0.1 μm，放大倍數為1 000。

圖1 TC11鈦合金拉伸試樣尺寸

2 結果與分析

2.1 沉積態TC11鈦合金晶粒及組織表征

將沉積態TC11鈦合金（拉伸方向⊥BD）長方體試棒按如圖2所示的方向切開，在其截面的9個區域內，分別通過EBSD表征其晶粒取向及組織形貌。

圖2 原始態樣品切口位置及EBSD序號分布

通過圖3a—c可以觀察到EBSD晶粒取向，圖2中1—3區域內主要為柱狀晶，在某些區域內會出現等軸晶與柱狀晶交替生長的情況，如圖3c所示。比較圖3a—c可以得出，1區域的柱狀晶最為粗大，而2區域的柱狀晶尺寸較小。柱狀晶內部主要為由α相構成的細針狀馬氏體組織，如圖3a所示，同時通過立方鈦與六方鈦的分布（見圖3e）可知，組織內部多為由HCP結構的六方鈦構成的α相，同時由于SLM工藝熔池冷卻速度較快，還存在極少量由BCC結構的立方鈦構成的β相，六方鈦體積分數為99.4%，而立方鈦的體積分數僅為0.6%，如圖3f所示。部分區域出現了粗大的針狀馬氏體組織，如圖3b所示。這種細針狀的馬氏體組織對提高沉積態TC11鈦合金的綜合力學性能有益。從圖3可以觀察到，SLM制成的TC11鈦合金無明顯的晶粒取向，各晶粒之間取向不同。

圖2中6—8區域的EBSD晶粒取向分別見圖4a—c，可以觀察到在6—8區域內，晶粒為等軸晶晶粒。晶粒內部仍為由細針狀α相組成的馬氏體，同時與1—3區域相同，組織內六方鈦占絕大多數，體積分數為99.8%，而立方鈦占比很小，體積分數僅為0.2%，見圖4d。

∥BD方向截面與⊥BD方向截面的微觀組織完全一致，均為由六方鈦組成的α相組成的馬氏體組織，但2個區域晶粒形狀有明顯差異，垂直于熔道面的1—3區域多為長條狀柱狀晶，而在熔道面上的6—8區域則基本為等軸晶。

2.2 斷口形貌及機理分析

不同拉伸速率下SLM成形斷口形貌見圖5，可以看到隨著應變速率的增加，邊緣延展區（塑性區）的面積逐漸減小，而中間瞬斷區（脆性區）的面積逐漸增大，在拉伸速率為5 mm/min時邊緣延展區面積非常小，斷裂面絕大部分為瞬斷區。從宏觀來看，隨著拉伸速率的增加，縮頸現象越來越不明顯。從高倍SEM中可以看到斷面上中心瞬斷區的孔隙，同時在部分孔隙的邊緣觀察到細小的微裂紋，這是由孔隙周圍的應力集中造成的，如圖5f和g所示，并且隨著拉伸速率的增加，斷面的韌窩數量減少，韌窩尺寸變小，說明隨著拉伸速率的增加，TC11鈦合金的斷裂由韌性斷裂逐漸向脆性斷裂轉化。

圖4 沉積態TC11鈦合金晶粒及組織形貌

圖5 不同拉伸速率下SLM成形斷口形貌

3 裂紋擴展的相場斷裂模擬

3.1 斷裂表面的相場描述

相場法主要是通過建立內部長度尺度c與損傷變量的關系研究材料的斷裂問題，將材料內部的尖銳裂紋擴散到擁有彈性或塑性的固體體積中，通過監測損傷變量來判斷局部的材料是否發生斷裂，若=1表示材料發生斷裂，若<1表示材料未發生斷裂。損傷變量與內部長度尺度c的關系見式（1）。

(1)

斷裂面多維度裂紋表面密度與裂紋長度參數相關，由相場函數引入裂紋表面密度，裂紋表面密度可以由式（2）表示[14]：

(2)

理論斷裂面是由式（2）的整體體積積分獲得的：

3.2 能量函數

彈塑性動態問題的能量函數包括式（4）的拉格朗日函數：

由式（8）可以看出材料在拉伸時會發生退化而在壓縮時材料不發生變化[15]。退化函數()為：

式中：表示退化函數整體的數值穩定性，為10?8級。

塑性應變能為：

相場法的最關鍵思想就是將本身不連續的點作為已發生斷裂與未發生斷裂材料之間的一個連續場，故斷裂能量可由式（2）改寫為損傷變量的一個函數，即：

式中：表示斷裂能的能量密度；c表示產生一個單位的斷裂表面所需要的表面能；c表示長度尺度參數，主要表征了損傷擴散的尺度。

3.3 Abaqus相場UEL

Abaqus相場UEL的實現過程如下：以分層的方式使用2種元素類型，同時這2層中每一層都與同一個節點相連接，但不同的層之間對同一節點不同自由度（DOF）的剛度有著不同的貢獻。圖6a為用二維表示的三維有限元結構在Abaqus中的框架圖，具體操作流程如圖6b所示。

圖6 Abaqus相場UEL框架圖及實現方式

3.4 裂紋擴展的相場斷裂模擬

3.4.1 有限元模型建立

對沉積態TC11鈦合金進行裂紋擴展的相場模擬。在厚度為1 mm、長度為100 mm、寬度為40 mm的二維矩形板的上下端分別施加瞬時載荷與周期載荷，瞬時載荷分別為1、1.5、2 MPa，周期載荷分別為1.5、1.2、1.1、1 MPa，周期加載方式為正弦加載，如圖7a所示。網格單元類型為CPS4R，單元數量為1 000，如圖7b所示。材料屬性如下：彈性模量為115 GPa，泊松比為0.33，密度為4 600 kg/m3，斷裂能量密度c為3 J/m3，內部長度尺度c為0.004 m，不施加硬化和應變懲罰，即硬化常數=0、應變懲罰ε=0。瞬時載荷中分析步長為1×10?7s，總分析時間為0.000 1 s。周期載荷中分析步長為0.000 2 s，總分析時間為1 s。

圖7 數值模擬相關參數

3.4.2 不同加載方式下的TC11鈦合金裂紋擴展演化研究

瞬時載荷相場UEL模擬結果如圖8所示。可以看出隨著施加載荷的增大，裂紋擴展路徑也隨之發生變化。當載荷為1MPa時，切向裂紋的長度為0，在預制裂紋的前端就發生裂紋分叉，由于載荷較小其裂紋沒有擴展到材料邊緣發生斷裂。當載荷為1.5 MPa時，切向裂紋長度明顯增加，當切向裂紋擴展一段距離后，裂紋開始發生分叉現象，此時切向裂紋的長度為7.69 mm，同時裂紋即將擴展到材料邊緣發生斷裂。當載荷增加到2 MPa時，切向裂紋長度進一步增加到14 mm，此時大載荷使材料發生斷裂。同時，發現裂紋分叉以切向裂紋為軸呈軸對稱分布，隨著載荷的增加，裂紋分叉的角度逐漸減小，在加載載荷為1 MPa時，裂紋分叉角度最大約為108°，在載荷為2 MPa時，裂紋分叉角度最小約為82°。

圖8 瞬時載荷下裂紋擴展路徑云圖

施加周期載荷的相場UEL結果如圖9所示。由于施加周期載荷的時間足夠長，所以均發生斷裂，并且均無切向裂紋產生，說明在周期載荷加載的條件下，TC11鈦合金很難產生切向裂紋，主要裂紋方向為沿拉伸方向的裂紋。其次，分別在沿拉伸方向上取上、中、下3個位置測量其裂紋寬度，經計算得到均值進行比較，可以發現隨著周期載荷的增加，裂紋的切向寬度逐漸增加。在載荷為1.2 MPa時，裂紋寬度最大為26.23 mm，隨后逐漸降低，穩定在20 mm左右，在1、1.1、1.2、1.35、1.5 MPa的載荷下，裂紋寬度分別為15.56、11.87、26.23、20.51、20.92 mm，說明在載荷為1～1.2 MPa時，載荷的增加會促進裂紋的擴展，在1.2 MPa時促進效果最明顯，在1.2～1.5 MPa時載荷的增加對裂紋寬度的影響較小，整體保持在25～20 mm。

圖9 周期載荷下裂紋擴展路徑云圖

4 結論

通過EBSD、SEM和Abaqus相場UEL研究了SLM制備的沉積態TC11鈦合金的組織、斷口形貌和裂紋擴展情況，揭示了沉積態TC11鈦合金應變速率相關的斷裂機理，預測了瞬時與周期加載下不同加載載荷的裂紋擴展演化，得到以下結論。

1）沉積態TC11鈦合金∥BD截面方向上，微觀組織多為長條狀柱狀晶，部分區域出現柱狀晶與等軸晶交替生長的情況，晶粒內部大部分為由HCP結構六方鈦構成的針狀α相和極少量的β相。⊥BD截面方向上的微觀組織與∥BD截面方向上的組織一致，均為由α相構成的馬氏體組織，但晶粒形狀為等軸晶，無明顯晶粒取向。

2）隨著拉伸速率的增加，沉積態TC11鈦合金斷面的韌窩數量減少，韌窩尺寸變小，邊緣延展區（韌性區）的面積減小，斷裂由韌性斷裂逐漸向脆性斷裂轉化。

3）對沉積態TC11鈦合金施加瞬時載荷時，裂紋出現分叉并以切向裂紋為軸呈軸對稱分布，隨施加載荷的增加，裂紋分叉的角度逐漸減小，隨施加載荷的增加，切向裂紋長度逐漸增加，在載荷為1 MPa和1.5 MPa時，材料未發生斷裂，在載荷為2 MPa時材料發生斷裂。沉積態TC11鈦合金施加周期載荷時，裂紋無明顯切向的裂紋擴展，在載荷為1～1.2 MPa時隨加載載荷的增加裂紋寬度增加，1.2 MPa時裂紋寬度最大，在載荷為1.2～1.5 MPa時，隨載荷的增加，裂紋寬度穩定在25～20 mm。

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Fracture Mechanism and Crack Propagation of TC11 Titanium Alloy Melted by Laser Selective Melting under Different Loads

HUANG Peng1,2, YU Hai-yang1,2, GUO Ning1,2, ZHOU Qing-jun3, TANG Bing-tao1,2, ZHAO Wei1,2, LI Xin-sheng4

(1. School of Mechanical Engineering, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Jinan 250353, China; 2. Shandong Mechanical Design and Research Institute, Jinan 250031, China; 3. Capital Aerospace Machinery Corporation Limited, Beijing 100076, China; 4. Jinlei Technology Co., Ltd., Jinan 271105, China)

The work aims to study the fracture law and crack propagation path related to the rate of deposited TC11 titanium alloy according to the current design concept of damage tolerant titanium alloy in aerospace field. In this paper, the grain morphology of deposited TC11 titanium alloy prepared by laser selective melting (SLM) was characterized by electron backscattered diffraction (EBSD). The fracture morphology and defect distribution of TC11 titanium alloy under different strain rates were analyzed with scanning electron microscope (SEM). Aiming at the problem that the crack propagation path cannot be tracked in situ and in real time, the Abaqus phase field UEL was used to study the crack propagation. In the deposited TC11 titanium alloy, the grains on the//BD section were mainly columnar crystals and a small part of equiaxed crystals. All the grains on the^BD section were equiaxed crystals and the structure was needle like with dense cubic structure (HCP) α phase martensite tissue. No obvious grain orientation was observed; Under instantaneous load, when the load was 1, 1.5, 2 MPa, the tangential crack width was 0, 7.69, 14 mm respectively. The angles were 108°, 92°, 82° respectively; Under cyclic load, when the load was 1, 1.1, 1.2, 1.35, 1.5 MPa, the crack width was 15.56, 11.87, 26.23, 20.51, 20.92 mm respectively. With the increase of tensile rate, the fracture mechanism changes from ductile fracture to brittle fracture; Under transient loading, the crack initiates and propagates in a tangential sway, and then the crack bifurcates until complete fractures. The increase of load can promote the tangential crack of deposited TC11 titanium alloy and inhibit the crack bifurcation at the same time; During periodic loading, the increase of load promotes the crack width, and then the crack stabilizes at 25～20 mm after it reaches the maximum value.

selective laser melting (SLM); TC11 titanium alloy; phase field fracture; crack propagation; fracture morphology

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.011

TG146.2+3

A

1674-6457(2022)04-0094-08

2021-12-14

國家自然科學基金（52105370）；山東省自然科學基金（ZR2020QE168）

黃鵬（1998—），男，碩士生，主要研究方向為激光增材制造鈦合金的力學性能。

郭寧（1989—），男，博士，講師，主要研究方向為激光增材制造工藝-組織-力學性能模擬。

責任編輯：蔣紅晨